UTILIZAÇÃO DE SOLO RESIDUAL DE GNAISSE EM CERÂMICA VERMELHA.

F.T.G.Batista1, M.G.Alves2, J.Alexandre2, S.N Monteiro1, C.M.F.Vieira1,*

Av. Alberto Lamego, 2000, Campos dos Goytacazes, RJ, 28013-602, Brasil *vieira@uenf.br

Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro - UENF 1Laboratório de Materiais Avançados - LAMAV

2Laboratório de Engenharia Civil - LECIV

Av. Alberto Lamego, 2000, Campos dos Goytacazes, RJ, 28013-602, Brasil *vieira@uenf.br

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo avaliar a incorporação de até 40% em peso de

um solo residual a uma argila visando à fabricação de cerâmica vermelha.

Inicialmente o solo residual foi submetido a ensaios de caracterização mineralógica,

química e física. Em seguida foram preparados corpos de prova por prensagem

uniaxial a 20 MPa para queima em forno de laboratório a 900oC. As propriedades

tecnológicas avaliadas foram: plasticidade, densidade aparente, retração linear,

absorção de água e tensão de ruptura à flexão. Os resultados indicaram que a

incorporação de solo residual melhorou a trabalhabilidade da argila. Nas

propriedades de queima, o solo residual atuou como um material inerte, reduzindo a

retração linear e praticamente não alterando a absorção de água. Devido à presença

de partículas de quartzo de granulometria grosseira no solo residual, a resistência de

queima da argila foi reduzida drasticamente com o incremento de solo residual

incorporado.

Palavras-chaves: argila, cerâmica vermelha, incorporação, solo residual

1

INTRODUÇÃO

O processamento de cerâmica vermelha envolve geralmente a utilização de

uma ou mais argilas como componente de massa cerâmica. Outros tipos de

materiais, tais como areia e rochas na forma de pó, argilito e filito, são

eventualmente empregados em algumas regiões do Brasil. No município de Campos

dos Goytacazes há uma elevada produção de cerâmica vermelha que utiliza

predominantemente argilas cauliníticas locais. A utilização de outros tipos de

materiais (1-3) na composição da massa cerâmica vem sendo investigada no sentido

de melhorar a qualidade da cerâmica local.

Neste trabalho estuda-se a incorporação de um solo residual proveniente do

processo de alteração dos gnaisses com domínios migmáticos da Unidade São

Fidélis. Esses gnaisses apresentam uma foliação marcante,

granulometria de media a grosseira e são constituídos predominantemente de K-

feldspato, plagioclásio-andesina, biotita, muscovita e quartzo(4).

O objetivo do atual trabalho foi o de avaliar a influência da incorporação de

até 40% em peso de solo residual nas propriedades tecnológicas de queima de uma

argila. Com esta incorporação buscou-se uma possível matéria prima alternativa

para a fabricação de cerâmica vermelha.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para realização deste trabalho foram utilizados os seguintes materiais: solo

residual de gnaisse da Unidade São Fidélis (faixa quartzo-feldspática) e argila

provenientes do município de Campos dos Goytacazes, Estado do Rio de Janeiro. A

argila já foi caracterizada em trabalho anterior (5), sendo constituída de caulinita,

quartzo, mica muscovita e gibsita. O solo residual foi coletado na localidade

denominada de Lagoa de Cima, Figura 1.

2

Figura 1. Solo residual.

Após coleta nas jazidas, as matérias-primas foram secas a estufa a 110°C,

destorroadas em almofariz de porcelana e peneirada em malha 20 mesh (abertura

840µm).

O solo residual foi submetido a ensaios de difração de raios-X (DRX),

composição química, distribuição de tamanho de partículas e plasticidade. Os

ensaios de DRX foram realizados em amostras na forma de pó num difratômetro

Seifert modelo URD 65, operando com radiação Cu-Kα e 2θ variando de 3° a 80°. A

composição química das matérias-primas foi obtida por spectrometria por energia

dispersiva de raios-X utilizando um espectrômetro Shimadzu, modelo DX-700. A

distribuição de tamanho de partícula foi determinada por peneiramento e

sedimentação de acordo com norma técnica da ABNT (6). A plasticidade foi obtida

através da determinação dos limites de Atterberg, de acordo com as normas NBR

7180-84 e NBR 6459-84 (7,8).

Foram preparadas 3 composições com os seguintes percentuais de solo

residual incorporado na argila: 0, 20, 40% em peso, conforme mostra a Tabela I.

Nesta tabela, A significa argila e SR, solo residual.

3

Tabela I. Composições estudadas (% em peso)

Composições Matérias-primas A0SR A20SR A40SR

Argila 100 80 60

Solo Residual - 20 40

Corpos-de-prova retangulares (11,45 x 2,54 x 1,0 cm) foram preparados por

prensagem uniaxial em matriz de aço a 20MPa com umidade de 8%. Em seguida,

foram secos em uma estufa a 110°C por 24 horas. A queima foi feita em forno de

laboratório na temperatura de 900°C. A taxa de aquecimento utilizada foi de 3oC/min

com 60 min de patamar. O resfriamento foi realizado por convecção natural,

desligando-se o forno. As propriedades tecnológicas determinadas foram: densidade

aparente, retração linear, absorção de água e tensão de ruptura à flexão (3 pontos).

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Características do Solo Residual

A Figura 2 apresenta o difratograma de raios-X do solo residual com detalhes

(quadro pontilhado) com 2θ variando de 30° a 44°. A composição mineralógica do

solo residual é bem similar às argilas de Campos dos Goytacazes (5, 9). Observa-se

que foram identificados picos de difração associados à caulinita (Al2Si2O5(OH)4),

quartzo (SiO2), goetita (FeO(OH)), gibsita (Al(OH)3) e mica muscovita

(KAl2Si3AlO10(OH)2). A presença de caulinita confere plasticidade ao solo residual.

Durante a queima, a caulinita sofre uma série de transformações (10) contribuindo

para a consolidação microestrutural da cerâmica devido ao seu pequeno tamanho

de partículas de formato lamelar (11). A presença de hidróxidos de ferro e alumínio,

goetita e gibsita, contribuem para a perda de massa do solo residual durante a

queima e também para um comportamento refratário. O quartzo é uma material

desplastificante e na queima geralmente atua como inerte, não reagindo com os

demais constituintes. O inconveniente do quartzo no processamento cerâmico é sua

transformação alotrópica reversível em temperaturas na ordem de 573oC, o que

acarreta variação de volume e conseqüentemente trincas. As partículas

extremamente pequenas de quartzo podem reagir com outros constituintes e até

4

mesmo contribuir para o incremento da resistência mecânica (12). A mica muscovita

está presente em pequenas quantidades, conforme intensidade dos seus picos de

difração, não devendo acarretar modificações significativas na microestrutura de

queima do solo residual.

10 20 30 40 50 60 70 80

QCC

Go

QQ Q QQ

Q

Q

Q

Q

C

C

C

M

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

2θ30 32 34 36 38 40 42 44

Q

Q

C

Go

Go

Go

Go

Go

Go

GiC C

2θ

Figura 2. DRX do solo residual.

A Tabela I apresenta a composição química do solo residual. Nesta tabela são

observados elevados percentuais de óxidos de Si, Al e Fe. De acordo com a

composição mineralógica apresentada anteriormente, a SiO2 está associada à

caulinita e ao quartzo. Já a Al2O3 está presente tanto na caulinita quanto na gibsita,

enquanto que o Fe2O3 é devido, sobretudo, à presença de goetita. A perda ao fogo

de 9,34% do solo residual está associada à perda de água de constituição da

caulinita e à desidratação dos hidróxidos de Fe e Al. A presença de SO3 precisa ser

melhor avaliada mas pode estar associada à presença de sulfeto de ferro ou a

algum sulfato.

Tabela I. Composição química do solo residual (% em peso).

SiO2

37,62

Al2O3

37,58

Fe2O3

11,75

TiO2

1,52

SO3

1,48

K2O 0,31

V2O5

0,04

ZrO2

0,04

PF 9,34

5

A Figura 3 apresenta a curva de distribuição de tamanho de partícula do solo

residuala. A densidade real, obtida por picnometria foi de 2,73 g/cm3 e tamanho

médio das partículas de 67,1 µm. Frações granulométricas abaixo de 2 µm estão

associadas à argila. Tamanho de partícula compreendido entre 2 e 20 µm denomina-

se silte e partículas com tamanho superior à 20 µm até 2000 µm correspondem à

areia. Esta por sua vez se divide em areia fina, 20 a 200 µm, e areia grossa, 200 a

2000 µm, de acordo com a classificação de tamanho de partículas da International

Society of Soil Science (13). As frações granulométricas obtidas para o solo residual

foram de: argila = 22,5%; silte = 16,1%; areia fina = 21,8% e areia grossa = 39,6%.

Pelos valores destas frações constata-se que o solo residual investigadao possui

uma razoável quantidade de argila, o que é responsável pela plasticidade do

material.

1 10 100 100010

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Mas

sa p

assa

nte

(%)

Diâmetro esférico equivalente (µm)

Figura 3. Distribuição do tamanho de partículas do solo residual.

A Tabela II apresenta a plasticidade do solo residual obtida pelos limites de

Atterberg (14). O limite de plasticidade LP indica a quantidade de água mínima

necessária para que o estado de consistência plástico seja alcançado. O limite de

liquidez LL está associado à quantidade de água em que o material apresenta uma

consistência de lama, ultrapassando, portanto, a faixa de consistência plástica. Já o

índice de plasticidade IP é a diferença entre LL e LP, indicando a faixa de

consistência plástica. Os resultados apresentados indicam que o solo residual

6

apresenta elevada plasticidade que está associada à presença da caulinita em sua

constituição mineralógica bem como a quantidade razoável de fração argila, Fig. 3.

Tabela II. Limites de Atterberg do solo residual (% em peso).

LP LL IP

31,6 58,4 26,8

Propriedades Tecnológicas das Composições

As composições foram submetidas a ensaios tecnológicos para verificar o efeito

da incorporação do solo residual investigado na trabalhabilidade e propriedades da

argila. Desta forma, pode-se aferir a conveniência da utilização deste solo residual,

que é relativamente abundante no município de Campos dos Goytacazes, em

cerâmica vermelha. Estes resultados são apresentados a seguir.

A Figura 4 apresenta a localização das composições estudadas num gráfico

elaborado a partir dos limites de plasticidade de Atterberg que indica regiões de

extrusão ótima e aceitável (15). É possível observar que a argila pura localiza-se fora

da região aceitável, apresentando um índice de plasticidade excessivo. A

incorporação de solo residual reduziu o índice de plasticidade da argila, de tal forma

que as misturas argila/solo residual localizam-se em região de extrusão aceitável.

Desta forma, a incorporação de solo residual foi benéfica para a trabalhabilidade da

argila estudada.

Figura 4. Prognóstico de extrusão através dos limites de Atterberg das

composições estudadas.

7

A Figura 5 apresenta, conjuntamente, as densidades aparentes tanto a seco

quanto de queima das composições investigadas. Observa-se que ocorreu um

pequeno incremento da densidade aparente a seco da argila com a incorporação de

solo residual. Isto está possivelmente associado à granulometria mais grosseira da

do solo residual, Fig. 3, em comparação com a argila, o que contribuiu para melhorar

o empacotamento das partículas. Já a densidade aparente de queima da argila não

sofreu alteração com a incorporação de solo residual. A densidade aparente de

queima de todas as composições investigadas é menor que a correspondente a

seco. Isto pode ser atribuído à perda de massa durante a queima que contribui para

gerar porosidade e à atuação discreta dos mecanismos de sinterização, tanto por

difusão sólida quanto por fase líquida, na temperatura de 850oC.

1,60

1,65

1,70

1,75

1,80

1,85

1,90

A40SRA20SRA0SR

Densidade aparente de queima Densidade aparente a seco

Den

sida

de a

pare

nte

(g/c

m3 )

Composições

Figura 5. Densidades aparentes a seco e de queima das composições.

A Figura 6 apresenta a absorção de água das composições investigadas.

Observa-se que, dentro do erro estatístico, a incorporação de solo residual até 40%

não alterou este parâmetro. Os valores das composições nas faixas de 21 a 22% de

absorção de água estão de acordo com as telhas das indústrias de Campos dos

Goytacazes, mas acima do valor máximo de 18% estipulado por norma técnica

atualmente em vigor para telhas do tipo romana (16). Deve ser observado, no entanto,

que a própria argila pura (A0L) não atende à norma. Como a absorção de água está

relacionada com a porosidade aberta do material, o resultado obtido está coerente

8

com a densidade de queima apresentada na Fig. 5, e comprova que o solo residual

atua como um material inerte durante a queima.

20,5

21,0

21,5

22,0

A40SRA20SRA0SR

Ab

sorç

ão d

e ág

ua (%

)

Composições

Figura 6. Absorção de água das composições.

. A Figura 7 apresenta a retração linear das composições estudadas. Observa-se

que ocorre uma brusca redução deste parâmetro com a incorporação de solo

residual. Isto é certamente devido ao comportamento inerte e refratário do solo

residual que dificulta o desenvolvimento das reações de sinterização.

1,05

1,20

1,35

1,50

1,65

A40SRA20SRA0SR

Ret

raçã

o Li

near

de

quei

ma

(%)

Composições

Figura 7. Retração linear das composições.

9

A Figura 8 apresenta a tensão de ruptura à flexão das composições estudadas.

Observa-se que esta propriedade também apresentou uma brusca redução com a

incorporação de solo residual. Além do caráter inerte do solo residual, a presença

significativa de partículas de quartzo de granulometria grosseira, Fig. 3, deve ter

ocasionado o aparecimento de trincas que acarretaram a redução da resistência

mecânica apresentada na Fig. 8.

2

4

6

8

10

12

14

16

A40SRA20SRA0SR

Tens

ão d

e ru

ptur

a à

flexã

o (M

Pa)

Composições

Figura 8. Tensão de ruptura à flexão das composições.

Finalmente, é importante mencionar que a incorporação deste solo residual a

uma argila típica de Campos dos Goytacazes trouxe os benefícios de melhorar sua

trabalhabilidade e reduzir a retração linear de queima. Por outro lado, a sensível

queda acarretada na resistência mecânica limita o uso da cerâmica vermelha

incorporada com este solo residual à fabricação de tijolos para vedação.

CONCLUSÕES

Neste trabalho de caracterização de solo residual e avaliação de seu uso para

a fabricação de cerâmica vermelha através da incorporação em até 40% em peso

numa argila, foi possível concluir que:

10

• O solo residual apresenta composição mineralógica similar às argilas de Campos

dos Goytacazes. A presença de caulinita é responsável pela elevada plasticidade

obtida.

• A incorporação de solo residual na argila melhorou sua trabalhabilidade e o grau

de empacotamento a seco. Devido à presença significativa de hidróxidos e de

quartzo, o solo residual atua como inerte durante a queima. O inconveniente do uso

deste solo residual para a cerâmica vermelha foi a redução da resistência mecânica,

atribuída às partículas grosseiras de quartzo. Isto, em principio, limita o uso de

cerâmica vermelha incorporada com este solo residual à fabricação de blocos de

vedação.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio financeiro e as bolsas concedidas pelo CNPq,

UENF, CAPES, FAPERJ e FENORTE/TECNORTE.

REFERÊNCIAS

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2. C. M. F. Vieira, H. F. Sales, S. N. Monteiro, Cerâmica 50, 315 (2004) 239.

3. C. M. F. Vieira, H. F. Sales, S. N. Monteiro, Anais do XV Congresso Brasileiro

de Engenharia e Ciência dos Materiais, Natal, RN, novembro de 2002, p.

4. Departamento de Recursos Minerais, Projeto Carta Geológica do Estado do Rio

de Janeiro – Bloco Campos – Relatório Final – Texto, v. 1, Niterói, 1981.

5. S. N. Monteiro, C. M. F. Vieira, Tile & Brick Int. 18, 3 (2002) 152.

6. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. Determinação da Análise

Granulométrica de Solos. NBR - 7181, Rio de Janeiro, 1984.

7. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação do Limite de

Plasticidade, NBR-7180, Rio de Janeiro, 1984.

8. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, Determinação do Limite de

Liquidez, NBR-6459, Rio de Janeiro, 1984.

9. J. Alexandre, (2000) Análise de Matérias-primas e Composições de Massa

Utilizada em Cerâmicas Vermelhas. Tese (Doutorado em Ciência de Engenharia,

UENF, Campos dos Goytacazes-RJ.

11

10. W. D. Johns, Ceramic Bulletin 44, 9 (1965) 682.

11. S. N. Monteiro, C. M. F. Vieira, Ceramics International 30, (2004) 381.

12. Y. Kobayashi, O. Ohira, Y. Ohashi, E. Kato, J. Am. Ceram. Soc. 75, (1992)

1801.

13. P. S. Santos, Ciência e Tecnologia das argilas, Editora Edgard Blucher, São

Paulo, Brasil, 1989, pp. 4.

14. R. M. Schmitz, C. Schroeder, R. Charlier, Applied Clay Science 26, 1-4 (2004)

351.

15. M. Marsigli, M. Dondi, L’Industria dei Laterizi 46, (1997) 214.

16. ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas, Telha Cerâmica Tipo

Romana: Especificação. NBR 13.582, Rio de Janeiro, 1996.

Use of Residual Soil of Gneisse into Red Ceramic

ABSTRACT

This work has for objective to evaluate the incorporation of residual soil from

laterization process in amounts up to 40 wt. % into clay bodies to obtain red ceramic.

Initially, the residual soil was submitted to mineralogical, chemical and physical

characterization tests. Specimens were then prepared by uniaxial pressing at 20

MPa before firing at 900oC in a laboratory furnace. The technological properties

evaluates were: plasticity, bulk density, linear shrinkage, water absorption and

flexural strength. The results showed that the use of residual soil improved the

workability of the clay body. As far as the firing properties are concerned, the residual

soil acted as an inert material, decreasing the linear shrinkage but, practically, did not

change the water absorption. Due to the presence of coarse quartz particles, the

mechanical strength of the red ceramic was reduced with the increment of

incorporated residual soil.

Keywords: Clay, red ceramic, incorporation, residual soil.

12